利用蝗虫群的回避神经元原理 可以增强机器人避免碰撞功能

蝗虫瘟疫中有数百万种昆虫，它们飞过天空袭击农作物，但在这些巨大的昆虫群中，单个昆虫不会相互碰撞。现在，一个工程师团队正在创建一种低功率碰撞检测器，该检测器可以模拟蝗虫回避响应，并可以帮助机器人，无人机甚至自动驾驶汽车避免碰撞。

工程科学与力学助理教授Saptarshi Das表示：“我们一直在寻找具有非凡能力的动物，这些动物的能力要比人类好。人们经常使用昆虫视线来设计自动化系统，因为它们会飞行并且不会碰撞，但后来我们发现蝗虫是独一无二的。”

蝗虫之所以与众不同，是因为它们使用一个称为Lobula巨人运动探测器（LGMD）的特殊神经元来避免碰撞。

车辆碰撞检测器模仿蝗虫中的回避神经元，使它们能够成群飞行。图片提供：Jennifer M. McCann /宾夕法尼亚州立大学

达斯说：“所以我们开始研究它的工作原理，而蝗虫简直令人难以置信。” “这些生物所能做的是非常谦卑的。”

根据工程科学和力学研究生Darsith Jayachandran的说法，神经元接收两种不同的信号。一只即将来临的蝗虫的图像落在躲避蝗虫的眼睛上。蝗虫入侵越近，图像越大，激发信号越强。另一个输入是入侵蝗虫相对于躲避蝗虫的角速度的变化。

Jayachandran说：“由于神经元有两个分支，所以蝗虫计算了这两个输入的变化，并意识到某些东西会发生碰撞。” “因此，避免蝗虫改变了方向。”

研究人员开发了一种紧凑的纳米级碰撞检测器，该检测器使用单层硫化钼作为光电检测器。他们将光电探测器放置在可编程浮栅存储器架构的顶部，该架构仅需极少量的能量即可模仿蝗虫的神经元反应。

他们在今天的《自然电子》杂志上报告说，这“是向智能，低成本，特定任务，节能和小型化的防撞系统发展的飞跃。”

据研究人员称，蝗虫每小时移动两到三英里，并在数百毫秒内改变方向。做出移动的决定采用了非线性数学和微小的能量消耗。

这种快速的反应和适度的能量消耗对于机械化碰撞检测仪很有吸引力。用于自动驾驶汽车的电流检测器非常大且非常重。研究人员的碰撞探测器在两秒钟内做出响应。而且，基于硫化钼的传感器并非是千篇一律的检测器，它是特定于任务的，但由于它是如此之小且使用的能量如此之小，这是可以接受的，据研究人员称。

光电检测器响应于即将到来的物体（激励信号）而引起设备电流的增加，而下面的可编程存储堆栈始终导致电流（抑制信号）的减小。当物体接近时，兴奋性信号被添加到抑制性刺激上，导致设备电流发生非单调变化，从而模拟了蝗虫中LGMD神经元的逃逸反应。

达斯说：“虽然蝗虫只能避免与其他蝗虫发生碰撞，但我们的设备可以检测各种物体以不同速度发生的潜在碰撞。”

此时，研究人员仅在直接碰撞路径上的物体上测试了该设备。他们仍然需要针对其他情况优化响应。

工程科学与力学专业的研究生Aaryan Oberoi说：“我们无法在每种情况下都进行所有测量。” “因此，我们开发了一个数学模型，我们也可以试验，如果在同一个芯片上的多个设备会更好地工作。到目前为止，它看起来像一个单一设备就足够了。但是，一个多像素碰撞探测器阵列可以提供碰撞回避3D空间。”

原文：美国宾夕法尼亚州立大学 A'ndrea Elyse Messer 稿源(编译)：TechTMT.Com